振翅飞翔机器人 【技术领域】
本发明涉及像蝴蝶那样飞翔的振翅飞翔机器人。背景技术 现今， 作为模仿鸟类和昆虫等的飞行的振翅飞翔机器人， 已有人提出如下形式的 振翅飞翔机器人方案， 即， 利用 4 片翅翼的拍动使夹在翼面彼此之间的空气向平行于翼面 的方向喷出而产生推力进行悬停， 用尾翼 ( 垂直尾翼 ) 确保悬停时的稳定性， 同时用尾翼的 操作进行方向控制 ( 例如， 参照专利文献 1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献 1 ： 日本特开 2008-273270 号公报
发明内容 发明要解决的课题
然而， 在专利文献 1 所记载的发明中， 由于设有 4 片翅翼和尾翼， 所以存在零部件 件数变多这样的问题。另外， 由于分别独立进行 4 片翅翼的拍动和尾翼的操作， 所以结构变 得十分复杂， 并且最低必须装载 2 个驱动部， 产生了驱动力的传递机构也变得复杂这样的 问题。还有， 由于具有 4 片翅翼和尾翼， 所以其飞翔形态、 机理、 外观都与实际中飞翔的鸟类 或昆虫等生物大为不同， 尽管具有例如作为玩具使用的可能性， 但不适合于在欧美被提案 的人物监视的反恐系统和人物追缉系统中使用。
本发明是鉴于这样的情况而作出的， 其目的在于提供一种能够像蝴蝶那样通过 左、 右翅翼的振翅而稳定地飞翔的无尾翼振翅飞翔机器人。
解决课题的手段
与按照上述目的作出的第 1 项发明有关的振翅飞翔机器人， 具有 ： 将纵向朝向前 后方向的躯干 ； 左翼及右翼， 所述左翼及右翼分别设有根端被转动自如地连结在所述躯干 的前侧的左前架及右前架 ； 和振翅机构， 所述振翅机构以旋转驱动源为动力转动所述左前 架及所述右前架， 进行所述左翼和所述右翼的振翅， 而且， 使所述左翼及所述右翼的上拍时 间比所述左翼及所述右翼的下拍时间短而产生升力。 注意， 这里所谓躯干， 即使不像通常的 飞行物那样具有一定的大小和容积， 只要是实际上将左前架及右前架转动自如地连结起来 的支撑体或结构体即可， 也包括由杆、 管等芯材构成的情况和由用于保持电池的盒子构成 的情况。
注意， 作为使左翼及右翼 ( 准确地说是左前架及右前架 ) 的上拍动作的时间比左 翼及右翼的下拍动作的时间短的具体方法有， 例如 ： 1) 控制左翼及右翼的旋转驱动源 ( 电 机 )， 从而对左翼及右翼的上拍时间及下拍时间进行控制的方法 ； 2) 由于在左翼及右翼下 拍时必须利用左翼及右翼使该振翅飞翔机器人整体上浮， 比左翼及右翼上拍时的负载大， 因而在旋转驱动源中使用由输出扭矩的增加来降低转速的例如直流电机的方法 ； 3) 使左
翼及右翼的振翅中心角度为仰角 ( 即 ： 从通过左前架及右前架的转动中心的水平线向上倾 斜的角度 )， 利用左翼及右翼下拍时的阻力积极地减小上拍时的阻力的方法等等。
与第 2 项发明有关的振翅飞翔机器人， 是在与第 1 项发明有关的振翅飞翔机器人 中， 使所述左翼及所述右翼的下拍开始时间大致一致。 这里， 对于该振翅飞翔机器人的飞行 而言， 不必使左翼及右翼的下拍开始时间完全一致， 只要使其在左翼及右翼的下拍时间的 ±10％的范围内一致就足够了。注意， 没有必要使左翼及右翼的上拍开始时间一致。
与第 3 项发明有关的振翅飞翔机器人， 是在与第 1、 第 2 项发明有关的振翅飞翔机 器人中， 该振翅飞翔机器人没有尾翼， 仅仅依靠在振翅时可挠曲的所述左翼和所述右翼的 振翅进行飞行的。
与第 4 项发明有关的振翅飞翔机器人， 是在与第 1 ～第 3 项发明中的任意一项有 关的振翅飞翔机器人中， 使所述左翼及所述右翼的振翅中心角度成为比通过所述左前架及 所述右前架的转动中心的水平线靠上位置的角度。
并且， 与第 5 项发明有关的振翅飞翔机器人， 是在与第 4 项发明有关的振翅飞翔机 器人中， 所述左翼和所述右翼的振翅中心角度， 分别以通过所述左前架及所述右前架的转 动中心的水平线为基准， 位于上侧 5 度～ 20 度的范围内。
与第 6 项发明有关的振翅飞翔机器人， 是在与第 1 ～第 5 项发明有关的振翅飞翔 机器人中， 所述振翅机构安装在所述躯干的上侧。
另外， 与第 7 项发明有关的振翅飞翔机器人， 是在与第 1 ～第 6 项发明中的任意一 项有关的振翅飞翔机器人中， 所述左翼及所述右翼在振翅时能够挠曲， 使所述左翼及所述 右翼的下拍时间为所述左翼及所述右翼的上拍时间的 1.1 倍～ 1.5 倍 ( 进一步优选为 1.2 倍～ 1.3 倍 )。
若左翼及右翼的下拍时间不足左翼及右翼的上拍时间 1.1 倍， 则产生在左翼及右 翼上的升力变小难以飞行。 另外， 若左翼及右翼的下拍时间超过左翼及右翼的上拍时间 1.5 倍， 则下拍时产生的左翼及右翼下侧的气流逃逸， 升力的产生变得困难。
另外， 与第 8 项发明有关的振翅飞翔机器人， 是在与第 1 ～第 7 项发明中的任意一 项有关的振翅飞翔机器人中， 所述左翼和所述右翼的振翅速度设有差别。 这里， 振翅速度设 有差别， 是指在左翼及右翼以垂直线为中心在相同的转动角度的情况下左翼和右翼的转动 速度不同， 包括在振翅动作的整个范围内左翼及右翼的转动速度不同的情况， 和在振翅动 作的部分期间里左翼及右翼的转动速度不同的情况。顺便说一句， 若左翼及右翼的振翅速 度不同， 则左翼及右翼的升力不同， 从而给予振翅飞翔机器人以使其盘旋的力。
与第 9 项发明有关的振翅飞翔机器人， 是在与第 8 项发明有关的振翅飞翔机器人 中， 与所述振翅速度的差别相应地， 在前后方向改变所述左翼和所述右翼相对于所述躯干 的安装位置， 确保该振翅飞翔机器人的直线行进性。即， 若使一方翅翼的振翅速度快， 则振 翅飞翔机器人进行盘旋。另外， 若将一方翅翼和另一方翅翼在前后方向的安装位置进行改 变后安装在躯干上则进行盘旋。 因此， 若将这些组合起来后控制左翼及右翼， 则可以使该振 翅飞翔机器人笔直地飞行。为达此目的， 将左翼或右翼以可相对于躯干前后移动的方式安 装在躯干上， 进行飞行实验， 检查振翅飞翔机器人的直线行进性。
另外， 与第 10 项发明有关的振翅飞翔机器人， 是在与第 1 ～第 9 项发明中的任意 一项有关的振翅飞翔机器人中， 所述振翅机构具有 ： 1) 轴心朝向前后方向配置在所述躯干上， 由所述旋转驱动源向一个方向旋转驱动的曲柄构件 ； 2) 将该曲柄构件的第 1 支点部和 设于所述左前架的左连结部转动自如地连结起来的第 1 曲柄杆 ； 3) 将所述曲柄构件的第 2 支点部和设于所述右前架的右连结部转动自如地连结起来的第 2 曲柄杆。
参照图 1 说明与该第 10 项发明有关的振翅飞翔机器人的动作。图 1 中， 设左前架 ( 左翼 ) 及右前架 ( 右翼 ) 的转动中心为 O， 设左连结部 Pu、 Pd( 右连结部 Qu、 Qd) 到转动 中心 O 的距离为 R、 转动中心 O 到曲柄构件的旋转中心 A 的距离为 H， 设曲柄构件的曲柄半 径为 r、 第 1、 第 2 曲柄杆的转动中心间的长度为 S、 与左翼及右翼的最大上拍角 对应的第 1、 第 2 支点部的曲柄角度位置分别为 Mu、 Nu、 与左翼及右翼的最大下拍角 对应的第 1、 第 2 支点部的曲柄角度位置分别为 Md、 Nd、 左翼及右翼的振翅中心角度为 α。
在图 1 所示那样的配置中， 一旦确定了曲柄构件的旋转中心 A、 左翼及右翼的转动 中心 O、 第 1 曲柄杆 ( 第 2 曲柄杆同 ) 的长度 S、 曲柄半径 r、 曲柄角度 2θ， 曲柄构件的旋转 就会使左翼及右翼进行扑翼动作。在该场合， 由于通过第 1、 第 2 曲柄杆连结于左翼及右翼 的第 1、 第 2 支点部位于 Mu、 Nu 时成为左翼及右翼的最大上拍角位置， 第 1、 第 2 支点部位于 Md、 Nd 时成为左翼及右翼的最大下拍角位置， 所以左翼及右翼分别在角 PuOPd 和角 QuOQd 之 间振翅。
在该场合， 假设曲柄构件沿顺时针方向进行了转动， 则在左翼第 1 支点部在角 MuAMd 内进行下拍， 在右翼第 2 支点部在角 NuANd 间进行下拍。如从图 1 可以明白的那样， 由于角 MuAMd ＜角 NuANd， 所以若曲柄构件以固定的角度旋转， 则左翼的下拍时间比右翼的 下拍时间短。若使曲柄构件朝逆时针方向旋转则该现象反转。
再假设第 2 支点部位于任意的角度位置 Nx 的情况， 第 1 支点部的角度位置为 Mx。 求该角度位置的左翼及右翼的角度， 则分别得到 δ1、 δ2， 且 δ2 ＞ δ1。据此， 使用这样结 构的振翅机构， 若使左翼及右翼的下拍开始角度及其时间一致， 则左翼及右翼不是同步振 翅， 而是产生少许角度差异及速度差异。注意， 上拍时也是左翼及右翼不同步。
之所以这样， 理由是由于使曲柄构件的旋转中心朝向躯干的前后方向， 所以第 1、 第 2 曲柄杆的第 1、 第 2 支点部在俯视时作用方向是错开的。 由于是这样的条件， 所以转动中 心 O 到左、 右连结部的距离 R 与曲柄构件的旋转半径 r 相比必须足够大， 例如， R/r 为 2.5 ～ 3.5( 进一步优选为 2.9 ～ 3.1)。这里， 若 R/r 不足 2.5， 则左翼及右翼的转动角度相对于曲 柄构件的旋转而言过大， 若 R/r 超过 3.5， 则左翼及右翼的转动角度相对于曲柄构件的旋转 而言过小。
另外， 转动中心 O 到旋转中心 A 的距离 H， 最好为左、 右连结部 Pu、 Qu 和转动中心 O 的距离 R 的 1.4 ～ 2.5( 进一步优选为 1.4 ～ 1.6)。在 H/R 不足 1.4 的场合， 曲柄杆接近 水平， 针对按下的力变弱， 若 H/R 超过 2.5， 则振翅机构的位置从躯干突出， 容易使整体的稳 定性变差。
第 1、 第 2 曲柄杆的长度 ( 准确地说是第 1 支点部和左连结部及第 2 支点部和右连 结部的距离 )S， 需要对应于距离 R 和距离 H 进行改变， 可以使第 1、 第 2 支点部相对于旋转 中心 A 的角度 ( 曲柄角度 ) 为例如 20 度～ 80 度 ( 进一步优选为 40 度～ 80 度， 再优选为 55 度～ 75 度 ) 进行确定。长度 S 大概在转动中心 O 和旋转中心 A 之间的距离 H 附近。
如图 1 所示， 左翼及右翼的振翅中心角度 α 在 5 度～ 20 度的范围内。由此， 左翼 及右翼以该中心角度 α 为中心进行振翅， 与左翼及右翼的下拍时的力相比， 左翼及右翼的上拍时的力要小， 在旋转驱动源使用了例如直流电机的场合， 一般而言， 左翼及右翼的上拍 时间比左翼及右翼的下拍时间要短。
并且， 与第 11 项发明有关的振翅飞翔机器人， 是在与第 10 项发明有关的振翅飞翔 机器人中， 所述第 1 曲柄杆通过设于所述左前架的根侧的左加强构件转动自如地连结在该 左前架上， 所述第 2 曲柄杆通过设于所述右前架的根侧的右加强构件转动自如地连结该右 前架上。
发明效果
与第 1 ～第 11 项发明有关的振翅飞翔机器人， 由于是使左翼及右翼的下拍时间比 左翼及右翼的上拍时间长而产生升力的， 所以可以向前方飞行而不会坠落。 并且， 由于仅仅 使左翼及右翼振翅 ( 扑翼运动 ) 就可以使振翅飞翔机器人飞翔， 所以结构变得简单。
特别是， 与第 2 项发明有关的振翅飞翔机器人， 由于使左翼及右翼的下拍开始时 间一致， 所以振翅机构可以使左翼及右翼联动转动， 结构被简略化。
而且， 由此， 成为左翼及右翼同时下拍， 使振翅飞翔机器人在整体上产生升力。
由于与第 3 项发明有关的振翅飞翔机器人没有尾翼， 仅依靠振翅时可挠曲的左翼 和右翼的振翅进行飞行， 所以结构简单， 零部件数量减少。而且， 也不需要进行尾翼等的控 制， 飞行控制也变得容易。
与第 4 项发明有关的振翅飞翔机器人， 使左翼及右翼的振翅中心角度处于从通过 左前架及右前架的转动中心的水平线向上位置的角度。并且， 与第 5 项发明有关的振翅飞 翔机器人， 由于使左翼和右翼的振翅中心角度分别在 5 度～ 20 度的范围内， 所以可以使左 翼及右翼的下拍阻力比左翼及右翼的上拍阻力大， 用于驱动左翼及右翼的电机的选定变得 容易。再有， 由于可以使该振翅飞翔机器人的重心位置降低， 所以还可以进行稳定的飞行。
与第 6 项发明有关的振翅飞翔机器人， 由于振翅机构安装在躯干的上侧， 所以即 使躯干着陆， 也可以防止振翅机构的破损。
而且， 由于还可以省略用于覆盖振翅机构的保护构件 ( 防护罩 ) 等， 所以可以谋求 轻量化， 维修也变得容易。
另外， 与第 7 项发明有关的振翅飞翔机器人， 由于左翼及右翼在振翅时能够挠曲， 左翼及右翼的下拍时间为左翼及右翼的上拍时间的 1.1 倍～ 1.5 倍 ( 进一步优选为 1.2 倍～ 1.3 倍 )， 所以左翼及右翼的扑翼动作的控制比较容易， 而且， 可以可靠地飞行。
与第 8 项发明有关的振翅飞翔机器人， 由于左翼和右翼的振翅速度设有差别， 所 以在左翼及右翼上产生升力的差异， 从而给予该振翅飞翔机器人以盘旋力。 因此， 可以使该 振翅飞翔机器人在有限的空间 ( 例如室内 ) 里飞行。
与第 9 项发明有关的振翅飞翔机器人中， 由于对应于振翅速度的差别， 在前后方 向改变左翼和右翼相对于躯干的安装位置， 确保振翅飞翔机器人的直线行进性， 所以可以 抵消具有盘旋力的振翅飞翔机器人的盘旋力， 使振翅飞翔机器人进行通常飞行。
与第 10 项发明有关的振翅飞翔机器人， 由于振翅机构以轴心朝向前后方向配置 在躯干上， 具有由旋转驱动源朝一个方向旋转驱动的曲柄构件、 将曲柄构件的第 1 支点部 和设于左前架的左连结部转动自如地连结起来的第 1 曲柄杆、 和将曲柄构件的第 2 支点部 和设于右前架的右连结部转动自如地连结起来的第 2 曲柄杆， 所以使曲柄构件旋转， 即可 使左翼及右翼的左前架和右前架转动。在该场合， 由于左翼及右翼不完全同步， 所以左翼及右翼的振翅的差异变成盘旋力。 并且， 与第 11 项发明有关的振翅飞翔机器人， 由于第 1 曲柄杆通过设于左前架的 根侧的左加强构件转动自如地连结在左前架上， 第 2 曲柄杆通过设于右前架的根侧的右加 强构件转动自如地连结在右前架上， 所以可以增加让左翼及右翼振翅的力， 而且， 可以对没 有设置左加强构件及右加强构件的左前架及右前架赋予挠曲性。
附图说明
图 1 是本发明的振翅飞翔机器人的振翅部分的说明图。
图 2 是与本发明的一个实施例有关的振翅飞翔机器人的说明图。
图 3 是该振翅飞翔机器人的振翅机构的说明图。
图 4(A)、 (B) 是曲柄构件和第 1、 第 2 曲柄杆的连接方法的说明图。
图 5 是表示曲柄构件和第 1、 第 2 曲柄杆的动作的说明图。
图 6 是表示第 1、 第 2 支点部的旋转与左、 右翼的振翅关系的说明图。
图 7 是表示振翅飞翔机器人的扑翼角和时间的关系的曲线图。 具体实施方式 接着， 参照附图， 关于将本发明具体化了的实施例进行说明以供理解本发明。
如图 2、 图 3 所示， 与本发明的一个实施例有关的振翅飞翔机器人 10 具有纵向被朝 向前后方向配置的躯干 11 ； 左翼 14 及右翼 15， 该左翼 14 及右翼 15 分别设有根端以转动自 如的方式被连结在躯干 11 的前侧的左前架 12 及右前架 13 ； 和以旋转驱动源 16 为动力使左 前架 12 及右前架 13 转动从而进行左翼 14 及右翼 15 的振翅的振翅机构 24。顺便说一句， 该振翅飞翔机器人 10 没有尾翼。
并且， 振翅机构 24 具有 ： 轴心被朝向前后方向配置在躯干 11 上， 由旋转驱动源 16 向一个方向旋转驱动的曲柄构件 17 ； 将曲柄构件 17 的第 1 支点部 18 和设于左前架 12 的 中间位置的左连结部 19 转动自如地连结起来， 利用曲柄构件 17 的旋转进行左翼 14 的振翅 的第 1 曲柄杆 20 ； 及将在前后方向上设在与第 1 支点部 18 不同位置的曲柄构件 17 的第 2 支点部 21 和设于右前架 13 的中间位置的右连结部 22 转动自如地连结起来， 利用曲柄构件 17 的旋转进行右翼 15 的振翅的第 2 曲柄杆 23。以下进行详细说明。
躯干 11 具有 2 根被平行地水平配置的管构件 27、 27a， 该 2 根管构件 27、 27a 分别 以轴心朝向前后方向的方式被配置。这里， 优选管构件 27、 27a 以轻量且刚性高的原材料形 成， 例如将连续碳纤维 ( 日语 ： 炭素連続繊維 ) 用树脂成形的碳系复合材料等。在躯干 11 的顶端部， 管构件 27、 27a 的轴孔 25、 26 呈露出状态。
如图 2 所示， 左翼 14 具有 ： 被配置在左翼 14 的前缘部的左前架 12 ； 轴心朝向前后 方向， 顶端部 ( 前端部 ) 被安装在左前架 12 的根端的左轴芯杆 28 ； 设于左前架 12 的靠近 中央部的根侧， 从左前架 12 的根侧对左连结部 19 所处的部分进行加强的左加强构件 29 ； 被接近躯干 11 配置， 顶端部 ( 前端部 ) 与左前架 12 的根侧连结起来的左侧加强架 30 ； 张 挂在左前架 12 和左侧加强架 30 之间， 将左前架 12 的顶端部和左侧加强架 30 的后端部连 结起来的左翼端区域 31 成为自由端的左翼板 32。并且， 通过使左轴芯杆 28 从管构件 27 的
轴孔 25 的前侧嵌入， 左轴芯杆 28 被可转动地安装在轴孔 25 中。
另外， 右翼 15 具有 ： 被配置在右翼 15 的前缘部的右前架 13 ； 轴心朝向前后方向， 顶端部 ( 前端部 ) 被安装在右前架 13 的根端的右轴芯杆 33 ； 设于右前架 13 的靠近中央部 的根侧， 从右前架 13 的根侧对右连结部 22 所处的部分进行加强的右加强构件 34 ； 被接近 躯干 11 配置， 顶端部 ( 前端部 ) 与右前架 13 的根侧连结起来的右侧加强架 35 ； 张挂在右 前架 13 和右侧加强架 35 之间， 将右前架 13 的顶端部和右侧加强架 35 的后端部连结起来 的右翼端区域 36 成为自由端的右翼板 37。并且， 通过使右轴芯杆 33 从管构件 27a 的轴孔 26 的前侧嵌入， 右轴芯杆 33 被可转动地安装在轴孔 26 中。
这里， 左前架 12 和右前架 13 的长度、 左轴芯杆 28 和右轴芯杆 33 的长度、 左加强 构件 29 和右加强构件 34 的长度、 左侧加强架 30 和右侧加强架 35 的长度分别相同。另外， 从左翼 14 的转动中心 ( 左轴芯杆 28 的轴心 ) 到左连结部 19 的距离和从右翼 15 的转动中 心 ( 右轴芯杆 33 的轴心 ) 到右连结部 22 的距离相同。注意， 左轴芯杆 28、 右轴芯杆 33 的 长度可以比轴孔 25、 26 的长度短， 也可以比轴孔 25、 26 的长度长。
另外， 用销子将第 1 曲柄杆 20 转动自如地连结的左连结部 19 及用销子将第 2 曲 柄杆 23 转动自如地连结的右连结部 22 可以直接设在左前架 12 及右前架 13 上， 也可以设 在为了对其进行加强而安装的左加强构件 29 及右加强构件 34 上。 左翼板 32 是以左前架 12 为半长轴、 以左侧加强架 30 为半短轴的 1/4 大小的椭圆 形状， 右翼板 37 是以右侧架 13 为半长轴、 以右侧加强架 35 为半短轴的 1/4 大小的椭圆形 状。 另外， 优选前侧架 12、 右前架 13、 左侧加强架 30、 右侧加强架 35 以使用树脂使连续碳纤 维成形的碳系复合材料等轻量、 高强度且具有挠性的棒构件形成。 优选左加强构件 29、 右加 强构件 34 以使用树脂使连续碳纤维成形的碳系复合材料等轻量、 高强度且具有高刚性的 梁状构件形成。进而， 左翼板 32、 右翼板 37 用例如厚度为 25μm ～ 40μm、 轻量且高强度的 原材料， 例如日本纸形成。
左轴芯杆 28、 右轴芯杆 33 由于被转动自如地保持在轴孔 25、 26 内， 所以可以分别 将左前架 12、 右前架 13 转动自如地连结于躯干 11。因此， 如果将第 1 曲柄杆 20 的下端部 通过左加强构件 29 或直接转动自如地连结于左前架 12， 将第 2 曲柄杆 23 的下端部通过右 加强构件 34 或直接转动自如地连结于右前架 13 后， 分别使第 1、 第 2 曲柄杆 20、 23 转动， 则左轴芯杆 28、 右轴芯杆 33 分别在轴孔 25、 26 内转动， 从而可以使左翼 14、 右翼 15 在躯干 11 的左、 右两侧独立振翅 ( 使其进行扑翼运动 )。
接着， 关于振翅机构 24 进行说明。
振翅机构 24 安装在躯干 11 的上侧。由于安装在躯干 11 的上侧， 所以在振翅飞翔 机器人 10 着陆的时候可以防止振翅机构 24 与地面接触而发生损伤。由此， 无需给振翅机 构 24 设置保护构件 ( 例如， 防护罩 )， 可以谋求振翅飞翔机器人 10 的轻量化。
如图 3、 图 5 所示， 曲柄构件 17 为圆板形状， 其通过安装架 38 以旋转轴的轴方向 朝向前后方向被装载在躯干 11 的上侧， 外周部上形成有未图示的外齿。这里， 曲柄构件 17 的旋转轴的轴心位置以如下方式进行了调整， 即： 使曲柄构件 17 的旋转中心 ( 旋转轴的轴 心 )A 到躯干 11 的轴心的距离 H 对左翼 14 的转动中心 ( 左轴芯杆 28 的轴心 ) 到左连结部 19 的距离 R( 参照图 5) 的比值， 及曲柄构件 17 的旋转中心 A 到躯干 11 的轴心的距离 H 对 右翼 15 的转动中心 ( 右轴芯杆 33 的轴心 ) 到右连结部 22 的距离 R 的比值， 分别为例如
1.4 ～ 1.6。这里， 由于左、 右轴芯杆 28、 33 的距离很小， 所以在图 5 中被视为转动中心 O。
旋转驱动源 16 具有 ： 使输出轴朝向前后方向载放在设于躯干 11 的上侧的安装基 座 39 上、 作为直流电机之一例的无芯电机 40 ； 作为无芯电机 40 用的电源之一例的、 装载到 躯干 11 上的锂离子电池 ( 未图示 ) ； 通过安装在无芯电机 40 的输出轴上的第 1 齿轮 41 把 旋转驱动力传递给曲柄构件 17 的传递机构 42。这里， 传递机构 42 具有 ： 朝向前后方向、 通 过轴承可旋转地安装在安装架 38 上的旋转轴 43 ； 安装在旋转轴 43 上、 外周部上形成有与 第 1 齿轮 41 啮合的外齿的第 2 齿轮 44 ； 设在旋转轴 43 的顶侧、 与形成于曲柄构件 17 的外 周部的外齿啮合的第 3 齿轮 44a。由此， 将无芯电机 40 的旋转速度大幅度减速后使曲柄构 件 17 低速旋转。
曲柄构件 17 的第 1 支点部 18 和第 1 曲柄杆 20 的连结及曲柄构件 17 的第 2 支点 部 21 和第 2 曲柄杆 23 的连结， 在该实施例中是通过图 4(A)、 (B) 所示的作为弯曲构件 ( 或 曲轴 ) 之一例的一个折弯销 45 进行的。这里， 折弯销 45 具有 ： 作为连接例如第 1 曲柄杆 20、 第 2 曲柄杆 23 中任意一方， 例如第 2 曲柄杆 23 用的第 2 支点部 21 发挥功能的第 2 水 平部 46 ； 连接第 1 曲柄杆 20、 作为第 1 支点部 18 发挥功能的第 1 水平部 47 ； 和用于连结第 2 水平部 46 的顶端和第 1 水平部 47 的后端的连接部 48。 这里， 成为折弯销 45 的根部的第 2 水平部 46 被不可旋转地固定在曲柄构件 17 上， 且第 2 水平部 46 到曲柄构件 17 的轴心的距离和第 1 水平部 47 到曲柄构件 17 的轴心的距 离是固定的 ( 图 5 中的 r)。
由于第 1 曲柄杆 20 的上端侧可转动地连结于第 1 水平部 47( 准确地说是第 1 支 点部 18)， 第 2 曲柄杆 23 的上端侧可转动地连结于第 2 水平部 46( 准确地说是第 2 支点部 21)， 所以第 1 曲柄杆 20 位于第 2 曲柄杆 23 的前侧， 与第 2 曲柄杆 23 之间具有最小限度连 接部 48 的前后方向的厚度的距离， 第 1 曲柄杆 20 和第 2 曲柄杆 23 不会因曲柄构件 17 的 旋转而发生碰撞， 可以允许曲柄构件 17 旋转。
注意， 优选连结有第 1、 第 2 曲柄杆 20、 23 的下端侧的左连结部 19 和右连结部 22， 也在第 1、 第 2 曲柄杆 20、 23 的前后方向的位置上对齐而前后配置。
并且， 连结第 1 支点部 18 和曲柄构件 17 的旋转中心的曲柄半径线， 与连结第 2 支 点部 21 和曲柄构件 17 的旋转中心的曲柄半径线所成的角度， 成为第 1 支点部 18 和第 2 支 点部 21 的曲柄角度 (2θ)。这里， 左翼 14 的转动中心到左连结部 19 的距离 R 与第 1 支点 部 18 的曲柄半径长度 r 的比值， 及右翼 15 的转动中心到右连结部 22 的距离 R 与第 2 支点 部 21 的曲柄半径长度 r 的比值， 分别被设定为例如 2.9 ～ 3.1。另外， 第 1 曲柄杆 20 的长 度与左翼 14 的转动中心到左连结部 19 的距离的比值， 及第 2 曲柄杆 23 的长度与右翼 15 的转动中心到右连结部 22 的距离的比值， 分别被设定为例如 1.5 ～ 1.7。
通过采用以上的构成， 一旦设定了第 1 支点部 18 和第 2 支点部 21 的曲柄角度， 就 可以通过曲柄构件 17 的旋转， 使左翼 14 和右翼 15 的下拍开始时间同步 ( 一致 )， 且使左翼 14 和右翼 5 的振翅中心角度在比水平 ( 通过左前架 12 及右前架 13 的转动中心的水平线 ) 高 5 度～ 20 度的范围内处于上位置， 使左翼 14 和右翼 15 分别以 20 度～ 35 度的振翅角幅 度振翅。
这里， 振翅中心角度是指相对于水平线而言的， 左、 右翼 14、 15 的最大上拍角位置 和最大下拍角位置的平均角度位置， 振翅角幅度是指被配置在振翅中心角度位置的左、 右
翼 14、 15 转动到最大上拍角位置 ( 最大下拍角位置 ) 时的角度。
另外， 左翼 14 和右翼 15 的总振翅角 ( 以水平状态为基准的最大上拍角和以水平 状态为基准的处于相反侧 ( 日语 ： マイナス側 ) 的最大下拍角之和， 亦称总扑翼角 )， 可以 通过使第 1 曲柄杆 20 的长度及第 2 曲柄杆 23 的长度固定， 使左翼 14 的转动中心到左连结 部 19 的距离及右翼 15 的转动中心到右连结部 22 的距离变化而设定。另外， 左翼 14 和右 翼 15 的上侧振翅角 ( 上拍角 ) 及下侧振翅角 ( 下拍角 ) 的分配， 可以通过使左翼 14 的转 动中心到左连结部 19 的距离及右翼 15 的转动中心到右连结部 22 的距离固定， 使第 1 曲柄 杆 20 的长度及第 2 曲柄杆 23 的长度变化而设定。
而且， 在确定左翼 14 和右翼 15 的振翅中心角度、 总振翅角、 上侧振翅角、 及下侧振 翅角， 对称地进行左翼 14 的振翅和右翼 15 的振翅的场合， 第 1 支点部 18 和第 2 支点部 21 的曲柄角度 2θ 可以通过例如如下方法确定。
如图 5 所示， 设定以躯干 11 的轴心为原点 O、 以水平方向为 X 轴、 以垂直方向为 Y 轴的坐标， 将曲柄构件 17 的中心 A 设在 Y 轴上， 设右翼 15 从水平状态转动到振翅中心角 度时的右连结部 22 的位置为 B， 设右翼 15 转动到振翅中心角度时第 2 支点部 21 的位置为 C、 D。这里， 在曲柄构件 17 从正面观察顺时针旋转的场合， 右翼 15 下拍时的第 2 支点部 21 位于 C， 右翼 15 上拍时的第 2 支点部 21 位于 D。同样地， 设左翼 14 转动到振翅中心角度时 第 1 支点部 18 的位置为 E、 F， 则 C 和 E 及 D 和 F 分别关于 Y 轴处于对称的位置， ∠ DAF ＝ ∠ CAE ＝ 2η。另外， ∠ OAD ＝∠ OAF ＝ η。
并且， 设左翼 14 和右翼 15 的振翅中心角度为 α， 设第 1 支点部 18 和第 2 支点部 21 的曲柄半径为 r， 设左翼 14 的转动中心到左连结部 19 的距离及右翼 15 的转动中心到右 连结部 22 的距离为 R， 设第 1 曲柄杆 20 和第 2 曲柄杆 23 的长度为 S， 设躯干 11 的轴心和 曲柄构件 17 的中心的距离为 H， 则 B 的坐标为 (Rcosα， Rsinα)， A 的坐标为 (0， H)。另外， 在△ BCD 中， 边 BC、 边 BD 的长度为第 2 曲柄杆 23 的长度 S。这里， 设过 C 而平行于 Y 轴的 2 2 2 直线与过 B 而平行于 X 轴的直线的交点为 G， 则由于 CB ＝ BG +CG 的关系成立， 所以 2 2 2 2
S ＝ R +r +H +2Hrcosη-2HRsinα-2Rrsin(α+η)
成立。由于 α 为已知， 所以通过解该关于 η 的方程式可以求出 η。然后， 从 2θ ＝ 180 度 -2η， 可以确定第 1 支点部 18 和第 2 支点部 21 的曲柄角度 2θ。注意， 曲柄角度 2θ 在 55 度～ 75 度的范围内。
接着， 参照图 6， 关于与本发明的一个实施例有关的振翅飞翔机器人 10 的作用进 行说明。
通过将左翼 14 的转动中心到左连结部 19 的距离 R 与第 1 支点部 18 的曲柄半径 r 的曲柄半径 r 的比值， 及右翼 15 的转动中心到右连结部 22 的距离 R 与第 2 支点部 21 的 曲柄半径 r 的比值， 分别设定为 2.9 ～ 3.1， 根据曲柄构件 17 的旋转方向， 可以确定使其以 上拍、 下拍中的哪一方快速运动。
例如， 在使曲柄构件 17 从正面观察顺时针旋转的场合， 设左翼 14 下拍到最大极限 时的左连结部 19 的位置为 Pd， 此时的曲柄构件 17 的第 1 支点部 18 的位置为 Md， 上拍到最 大极限时的左连结部 19 的位置为 Pu， 此时的曲柄构件 17 的第 1 支点部 18 的位置为 Mu。 另 外， 设右翼 15 下拍到最大极限时的右连结部 22 的位置为 Qd， 此时的曲柄构件 17 的第 2 支 点部 21 的位置为 Nd， 上拍到最大极限时的右连结部 22 的位置为 Qu， 此时的曲柄构件 17 的第 2 支点部 21 的位置为 Nu， 则它们的关系成为如图 6 所示的那样。注意， 从图 6 亦可知， 通 常是使左翼 14 及右翼 15 的下拍开始时间一致的。
这里， 在左翼 14 从下拍到最大极限的状态变为上拍到最大极限的状态之前 ( 左连 结部 19 从 Pd 移动到 Pu 之前 )， 曲柄构件 17 的第 1 支点部 18 从 Md 顺时针旋转角度 β 而 移动到 Mu。在右翼 15 从下拍到最大极限的状态变为上拍到最大极限的状态之前 ( 右连结 部 22 从 Qd 移动到 Qu 之前 )， 曲柄构件 17 的第 2 支点部 21 从 Nd 顺时针旋转角度 γ 移动 到 Nu。 同样地， 在左翼 14 从上拍到最大极限的状态变为下拍到最大极限的状态之前 ( 左连 结部 19 从 Pu 返回到 Pd 之前 )， 曲柄构件 17 的第 1 支点部 18 从 Mu 顺时针旋转角度 360-β 而返回到 Md， 在右翼 15 从上拍到最大极限的状态变为下拍到最大极限的状态之前 ( 右连结 部 22 从 Qu 返回到 Qd 之前 )， 曲柄构件 17 的第 2 支点部 21 从 Nu 旋转角度 360-γ 而返回 到 Nd。
然后， 设第 1 曲柄杆 20 和第 1 支点部 18 的轨迹 ( 以曲柄构件 17 的中心 A 为圆心 的半径为 r 的圆 ) 的交点为 K， 设第 2 曲柄杆 23 和第 2 支点部 21 的轨迹 ( 以曲柄构件 17 的中心 A 为圆心的半径为 r 的圆 ) 的交点为 J， 则 β ＝∠ MdAK+ ∠ KANu+ ∠ NuAMu，
360-β ＝∠ MuAJ+ ∠ JAMd， 由于∠ KANu ＝∠ MuAJ，
∠ NuAMu ＝∠ JAMd+ ∠ MdAK
的关系成立，
所以 β-(360-β) ＝∠ MdAK+ ∠ JAMd+ ∠ MdAK- ∠ JAMd
＝ 2 ∠ MdAK ＞ 0
成立。因此， 第 1 支点部 18 为了从 Md 移动到 Mu 而旋转的 ( 为了使左翼 14 上拍 的 ) 角度， 比第 1 支点部 18 为了从 Mu 返回到 Md 而旋转的 ( 为了使左翼 14 下拍的 ) 角度 大。同样地， 第 2 支点部 21 为了从 Nd 移动到 Nu 而旋转的 ( 为了使右翼 15 上拍的 ) 角度， 比第 2 支点部 21 为了从 Nu 返回到 Nd 而旋转的 ( 为了使右翼 15 下拍的 ) 角度小。
其结果是， 若曲柄构件 17 以固定速度旋转， 则可以使左翼 14 缓慢地上拍， 快速地 下拍， 可以使右翼 15 快速上拍， 缓慢地下拍， 可以在左翼 14 及右翼 15 改变上拍动作的时间 和下拍动作的时间。这里， 由于将左翼 14 及右翼 15 的振翅中心角度设定在水平之上的上 位置 ( 设有上翻角 )， 所以在左翼 14 和右翼 15 上， 可以使上拍时作用的空气阻力， 比下拍时 作用的空气阻力小。其结果是， 左翼 14 及右翼 15 的下拍力和上拍力产生差别， 电机对应于 这种情况在使左翼 14 及右翼 15 振翅时， 无论对左翼 14 及右翼 15 中的哪一个， 都可以实现 使其缓慢地下拍， 快速地上拍的动作， 可以使其像蝴蝶那样飞翔。
另外， 若第 1 支点部 18 的曲柄半径的长度与第 2 支点部 21 的曲柄半径的长度不 同， 例如， 相对于右翼 15 的曲柄半径的长度而言左翼 14 的曲柄半径的长度较长的场合， 则 相对于右翼 15 的最大上拍角而言左翼 14 的最大上拍角变大， 相对于右翼 15 的最大下拍角 而言左翼 14 的最大下拍角变大。另外， 相对于右翼 15 的曲柄半径的长度而言左翼 14 曲柄 半径的长度较短的场合， 相对于右翼 15 的最大上拍角左翼 14 的最大上拍角变小， 相对于右 翼 15 的最大下拍角而言左翼 14 的最大下拍角变小。所以， 振翅飞翔机器人 10 不能保持姿 势而飞翔。
因此， 通过使第 1 支点部 18 的曲柄半径的长度与第 2 支点部 21 的曲柄半径的长
度相等， 可以使右翼 15 的最大上拍角与左翼 14 的最大上拍角， 右翼 15 的最大下拍角与左 翼 14 的最大下拍角分别一致。由此， 振翅飞翔机器人 10 可以保持姿势而飞翔。
第 1 支点部 18 和第 2 支点部 21 的曲柄角度 2θ 是为了能使左翼 14 的振翅和右 翼 15 的振翅大致对称地进行而设定的。因此， 通过调整曲柄角度 2θ， 例如， 通过使曲柄角 度在求得的值的 ±10％的范围内变化， 可以对由于例如， 第 1 曲柄杆 20 相对于第 1 支点部 18 及左连结部 19 的安装误差、 第 2 曲柄杆 23 相对于第 2 支点部 21 及右连结部 22 的安装 误差等产生的左翼 14 和右翼 15 的上拍开始时间和下拍开始时间的偏差进行调整。
左前架 12、 右前架 13、 左侧加强架 30、 及右侧加强架 35 各具挠性， 左翼端区域 31、 右翼端区域 36 分别为自由端。由此， 在使左翼 14、 右翼 15 进行了振翅的时候， 由于左前架 12、 右前架 13、 左侧加强架 30、 及右侧加强架 35 的惯性和空气阻力对左前架 12、 右前架 13、 左侧加强架 30、 及右侧加强架 35 的作用， 左前架 12、 右前架 13 的末梢侧及左侧加强架 30、 右侧加强架 35 的后侧发生挠曲， 从而可以使被张挂的左翼板 32、 右翼板 37 发生扭转。 其结 果是， 伴随左翼 14、 右翼 15 的振翅运动， 左翼 14、 右翼 15 发生扭转 ( 左翼 14、 右翼 15 的顺 桨角被动性地变化 )， 能够在飞翔中产生稳定的、 大的升力及推进力。 而且， 由于不需要使左 翼 14、 右翼 15 发生扭转的机构， 所以结构简单， 并且可以谋求轻量化。 另外， 若左翼 14 和右翼 15 的振翅动作 ( 振翅速度及振翅角度位置 ) 上有差异， 则 会给予振翅飞翔机器人 10 以旋转力。因此， 在原封不动的状态下， 振翅飞翔机器人 10 是进 行盘旋飞行的。于是， 若在前后方向改变左翼 14 和右翼 15 相对于躯干 11 的安装位置， 则 可以抵消振翅飞翔机器人 10 的盘旋飞行而使其进行近似于直线的飞行。在该场合， 由于若 将左翼 14 或右翼 15 中的任意一方以可前后移动的方式安装在躯干 11 上， 例如， 左翼 14 位 于比右翼 15 更靠后侧的位置则发生左盘旋力， 所以在实际中改变安装位置让其接近直线 飞行。
实验例
制造了左翼的左端到右翼的右端的翼展长 245mm， 左翼和右翼的前后方向的最大 长度 ( 弦长 ) 为 80mm， 躯干长 40mm， 总重量 ( 含无芯电机和锂离子电池的重量 ) 为 1.9g， 左 翼及右翼的振翅速度为 10Hz ～ 11Hz 的振翅飞翔机器人。
这里， 左翼和右翼的振翅中心角度分别为 14.1 度， 左翼和右翼的振翅角幅度为 23.2 度。另外， 第 1 支点部的曲柄半径的长度和第 2 支点部的曲柄半径的长度同为 4.5mm， 左翼的转动中心到左连结部的距离和右翼的转动中心到右连结部的距离同为 12mm。而且， 曲柄构件的中心到躯干的轴心的距离为 18mm。
因此， 曲柄构件的中心到躯干的轴心的距离与左翼 ( 右翼 ) 的转动中心到左连结 部 ( 右连结部 ) 的距离的比值为 1.5， 左翼 ( 右翼 ) 的转动中心到左连结部 ( 右连结部 ) 的 距离与第 1 支点部 ( 第 2 支点部 ) 的曲柄半径长度的比值为 2.7 ～ 3， 第 1 曲柄杆 ( 第 2 曲 柄杆 ) 的长度与左翼 ( 右翼 ) 的转动中心到左连结部 ( 右连结部 ) 的距离的比值为 1.6。 此时， 在左翼及右翼上， 上拍时间和下拍时间之比为 1 ∶ 1.25。 注意， 在左翼及右翼上， 通过 改变曲柄半径的长度、 曲柄构件相对于躯干的位置、 左、 右的连结部的位置， 也可以使左翼 及右翼的上拍时间和下拍时间之比为 1 ∶ 1.1 ～ 1.5。
图 7 是表示使实际的振翅飞翔机器人进行了飞翔时的扑翼角的变化的曲线图， 从 图中所示可知， 无论左翼及右翼中的哪一个， 虽然稍微有点时间的差别， 下拍时间比上拍时
间要长。 以上， 参照实施例说明了本发明， 但是本发明并不为上述实施例所记载的构成所 限定， 其也包括在权利要求书中记载的内容的范围内可以想到的其他实施例和变型例。
例如， 虽然使曲柄构件从正面观察时顺时针旋转， 但是也可以使其逆时针旋转。 在 该场合， 若左翼和右翼上产生振翅运动的相位差， 则相位差相反， 盘旋方向也相反。
工业上的可利用性
通过在本发明的振翅飞翔机器人上装载小型照相机或传感器， 进而装载 GPS， 能够 进行因地震等灾害而倒塌的建筑物或受灾地的人命救助。通过使用振翅飞翔机器人， 即使 在救灾活动中发生了二次灾害的场合， 也不会发生人员伤亡， 能够进行救援活动。另外， 还 能够进行像历史性的建筑物那样人难以进入的构造体等的维修检查活动。进一步， 由于可 以像蝴蝶那样飞翔， 所以也能够应用于作为危险人物的监视的反恐系统、 犯人追踪系统。
附图标记说明
10 ： 振翅飞翔机器人， 11 ： 躯干， 12 ： 左前架， 13 ： 右前架， 14 ： 左翼， 15 ： 右翼， 16 ： 旋 转驱动源， 17 ： 曲柄构件， 18 ： 第 1 支点部， 19 ： 左连结部， 20 ： 第 1 曲柄杆， 21 ： 第 2 支点部， 22 ： 右连结部， 23 ： 第 2 曲柄杆， 24 ： 振翅机构， 25， 26 ： 轴孔， 27、 27a ： 管构件， 28 ： 左轴芯杆， 29 ： 左加强构件， 30 ： 左侧加强架， 31 ： 左翼端区域， 32 ： 左翼板， 33 ： 右轴芯杆， 34 ： 右加强构 件， 35 ： 右侧加强架， 36 ： 右翼端区域， 37 ： 右翼板， 38 ： 安装架， 39 ： 安装基座， 40 ： 无芯电机， 41 ： 第 1 齿轮， 42 ： 传递机构， 43 ： 旋转轴， 44 ： 第 2 齿轮， 44a ： 第 3 齿轮， 45 ： 折弯销， 46 ： 第2 水平部， 47 ： 第 1 水平部， 48 ： 连接部